（计算机应用技术专业论文）土木工程远程监测系统.pdf

长安大学硕士学位论文 摘要 为了提高土木工程的质量、保护量测技术人员的安全、减少工程费用、提供同步测 量的可能性，研发了一套土木工程质量远程监测系统。 系统主要由前端数据采集子系统和后台数据处理子系统构成。利用g s m 移动通信 系统中的短信平台，实现了前端和后台之间的数据通信。前端由译码芯片和继电器组成 的分线器可对1 6 4 个传感器进行轮流测量；以p 8 9 c 5 1 r d 2 微处理器芯片为主的控制模 块，在k e i l - c 5 1 平台上，实现了对分线器接通的传感器的数据采集和与后台p c 机的数 据传输。同时实现了实时、定时等多种方式智能数据采集、对多达8 个测量点( 每个点 包含最多6 4 个传感器) 进行同步控制以及用户身份鉴权认证等功能。后台以v i s u a lc + + 6 0 为开发平台，采用a c c e s s 数据库，使用a d o 方式访问数据库，实现数据的存储、 处理和打印，同时可以控制前端系统的所有功能。 系统测量实时性强、数据管理功能齐全，可以通过后台p c 机进行定点监测控制， 也可通过便携式设备( 如笔记本、手机、p d a 等) 在移动状态下进行监测控制，具有智 能化、自动化等特点。 经过实际测试，系统运行稳定，各项检测功能正常，数据准确、可靠，具有较高的 应用价值。 关键词：土木工程、远程监测、传感器、单片机 目录 a b s 仃a c t aq u a l i t yr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ec i v i le n g i n e e r i n gw a sd e s i g n e dw i t ht h ep u r p o s eo f i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h ec i v i le n g i n e e r i n g ，g u a r a n t e e i n gt h es a f e t yo ft h em e a s u r i n gt e c h n i c a lr a f t , m a k i n gt h ee n g i n e e rc o s tl o w e ra n dm a k i n gt h es y n c h r o n a lm e a s l l r er e a l i z a b l e t h es y s t e mw a sc o m p o s e do ft h ef r o n t - e n ds u b s y s t e mo fd a t aa c q u i s i t i o na n dt h eb a c k - e n ds u b s y s t e m o fd a t ap r o c e s s t h em e s s a g ep l a t f o r mo ft h eg s mm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a su s e dt of u l f i l lt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ef r o n t - e n da n dt h eb a c k - e n d t h ed e c o n c e n t r a t o rm a d eu po ft h ec o d et r a n s l a t o r a n dt h er e l a ya tt h ef r o n t - e n dc o u l dm e a s u r el 一6 4s e n s o r si nt u r n ；0 1 1t h ep l a t f o r mo ft h ek e i l - c 51 ，i t r e a l i z e dt h ed a t aa c q u i s i t i o no ft h e5 e r l s o rl i n k e db yd e c o n c e n t r a t o ra n dd a t at r a n s m i s s i o no ft h ep ca tt h e b a n k - e n dw i t ht h ep 8 9 c 5 1 r d 2m i c r o p r o c e s s o rc h i pa si t sm a i nc o n t r o l l i n gm o d u l e b o t hr e a l - t i m ea n d t i m i n gd a t aa c q u i s i t i o n sc o u l db ei m p l e m e n t e d i tc o u l da l s oc o n t r o la sm u c h 酗8m e a s u r i n gp o i n t s ( e a c h p o 缸i n c l u d e s6 4s e n s o r sa tm o s os y n c h r o n o u s l ya n di d e n t i f yt h eu s e r s s t a t u s t h ev c + + 6 0w a su s e da t t h eb a c k - e n dw i t ht h ea c c e s sa si t sd a t a b a s ea n dt h ea d oa si t sm e t h o df o rd a t a b a s ea c c e s s t h es y s t e m c o u l ds a v ep r o c e s sa n dp r i n tt h ed a t ac o n v e n i e n t l y , a n dc o n t r o lt h ef r o n t - e n dc o m p l e t e l ya tt h es a m et i m e t h es y s t e mh a dg o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，a n dt h ef u n c t i o no ft h ed a t am a n a g e m e n tw a s a v a i l a b l e i tc o u l dc o n t r o la n dm o n i t o rt h ep o i n tf l r m l yw i mt h ep cr u n n i n ga tt h eb a c k - e n d ，w h i c hw a s c h a r a c t e r i z e db yi n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i o na l s op e r f o r m e dw e l li nas t a t eo fm o t i o nw i t hp o r t a b l es e t s ( s u c ha sn o t e b o o kp c ，m o b i l ep h o n e ，p d aa n ds oo n ) a f t e rt h ea c t u a lt e s t s ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mo p e r a t e ss m o o t h l y , e a c hd e t e c t i n gp a r t w o r k sw e l l ，t h ed a t ai sa c c u r a t ea n dr e l i a b l ea n di th a sh i g h e ru v a l u ei nr e a l i t y k e yw o r d s ：c i v i le n g i n e e r i n g ；r e m o t em o n i t o r i n g ；s e n s o r ：m c u i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：谚孵矽哆年j _ 月阮日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 冲年厂月) - v - e l 口7 年y 月w 日 a n 哆移 旱。2 垂 依希 名 孔引名者签作丽文咖论导 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1课题背景 在道路、桥梁、隧道等大型土木工程中，远程和超远程监测一直是业界梦寐以求的 有效手段。特别是随着国民经济的飞速发展、西部的建设与开发，出现了很多前所未有 的长、大、高、深、特、危工程，这些工程建设中一个重要的组成部分就是工程质量的 监测，比如，压力、应变、距离、温度、湿度、烟度等。由于这些工程所处的地理位置 和环境不好，比如，海拔高、空气稀薄、含氧量低、温度低等，给数据监测带来了很大 困难，即使工程竣工，监测工作还要持续两、三年。比如，霍儿山隧道全长几十千米， 海拔4 千多米，空气稀薄、含氧量低，每次量测都要背负氧气在现场步行数公里，耗时 几小时才能完成。针对上述情况，若不能实现几公里的远程和几十公里或几百公里的超 远程监测，其监测工作的困难程度简直难以想象。另外，像特高桥墩、特深基坑、危险 隧道支护、滑坡报警等现场量测也急需这样的量测技术，因此相关技术的研究和系统的 开发具有较好应用需求和市场前景。 1 2 课题目的、意义 ， 土木工程中远程数据测控关键技术研究与系统的开发将带来以下好处： 1 提高土木工程的质量。在目前很多长、大、高、深、特、危工程，由于工程环 境恶劣，量测条件差，许多场合量测技术人员无法到达，使得许多量测无法进行，也有 许多场地由于到达困难，使得量测次数减少，从而影响到土木工程的质量，有了远程量 测技术以后，使土木工程的监测的数量和质量得到保证，从而解决上述问题。 2 保护量测技术人员的安全。在目前土木工程的监测过程中，都是监测人员拿着 测量设备亲自到测量地点，由于施工环境的复杂性以及量测人员的其它素质( 如攀登， 个人防护等) 的限制，时常发生量测人员的人身伤害，有了远程监测技术以后，量测人 员通过远程控制就可测量，从而使得这个问题得到一定的改善。 3 减少工程费用。在土木工程有些监测并不是经常进行，同时由于监测技术专业 性强，就造成监测人员在多个施工现场间来回奔波，造成大量的差旅费用，有了远程量 测技术后，就可使原来需要量测人员到达不同现场的量测工作，可在一个地点进行，从 而节约成本，节省时间，提高效率。 4 提供同步测量的可能性。在土木工程中，有些质量参数需要在若干个地点同时 同步测量，目前是由若干测量技术人员分头在不同地点按约定时间测量，但因每个测量 第一章绪论 人员的技术水平不太一致，约定的时间不会完全一致，因此测量出来的数据同步性就难 以保证。有了远程量测技术以后，可由一个量测人员同时向不同的测量点发送测量指令， 从而保证了数据的同时同步测量。 1 3 课题目标及主要研究内容 1 3 1 目标 研发一套具有实际使用能力的远程监测系统。 1 3 2 研究与开发内容 本研究基于无线通信体系框架，结合土木工程中测量任务的特点，研发一套具有自 主知识产权的土木工程质量远程数据测控系统，可定点、移动监测工程质量，同时监测 传感器4 0 0 多个，可利用公网或专网完成无线数据传输和控制功能，同时可对监测数据 进行保存、计算、分析、查询等处理。 1 3 3 课题的关键技术 该系统具有如下特点： 1 通讯方式多样化。本研究中的通讯部分可以采用公网和自建通讯网相结合的方 式，公网采用g s m 移动通信系统中的短信业务、g p r s 通信系统、公路通讯专网，自 建通讯网采用单边带通讯方式。使用过程中根据土木工程施工现场的具体情况选用恰当 的通讯方式，通讯模块采用组件架构，用户可根据各自需求自行搭建实际系统，使得本 系统能在各种环境下使用。 2 应用面广。土木工程中的测量传感器有很多种，如压力、应变、距离、温度、 湿度、烟度等，本系统对每类传感器选用典型和常用型号进行编程控制，并对不同传感 器采用选件方式，用户可根据各自需要选用，也可根据用户特殊需要进行订制，从而适 合于土木工程中绝大多数应用场合。 3 测量过程智能化自动化。系统前端采用p 8 9 c 5 1 r d 2 微处理器芯片的实时嵌入式 系统，根据用户发来的测量指令，自动控制各种传感器进行测量，并将测量数据自动回 传后台系统进行数据分析、处理与保存。 4 测量过程同步性好。本系统可对多达8 个测量点( 每个点包含最多6 4 个传感器) 2 长安大学硕士学位论文 进行同步控制，以保证测量数据时效的一致性，测量后数据按优先级回传后台系统。 5 通讯安全性好。在监测系统中通讯各部分，均设置用户身份鉴权认证，有效地 排除其它通讯用户的干扰：增添数据检纠错机制，确保通讯数据的正确性；采用滑动窗 口技术和数据传输应答机制，确保通讯数据的完整性。 6 实时性强。在监测系统前端嵌入式系统中，采用p s o s 实时操作系统，采用三 级中断处理模式，以确保测量指令的实时执行以及测量数据的实时回传。 7 数据服务功能强大。监测系统的后台部分采用数据挖掘、数据融合技术和数据 访问透明机制，对前端采集到的测量数据按照业务功能进行数据图表和数据动态分析， 提供友好的操作界面。 8 后台数据库安全设计周全。系统后台提供数据库服务，对数据库的安全性采用 对用户提供透明数据、严格用户的访问权限、采用独特的口令隐含机制等多种方式。 9 监测方式多样化。系统设计采用定点式和移动式两种方式监测，即可通过后台 p c 机进行定点监测控制，也可通过便携式设备( 如笔记本、手机、p d a 等) 在移动状 态下进行监测控制。 第二章g s m 短消息 第二章g s m 短消息 2 1 g s m 网络概述 g s m 原意为“移动通信特别小组 ( g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) ，是欧洲邮电主管部门 会议( c e p t ) 为开发蜂窝移动系统而在1 9 8 2 年成立的机梅。随着移动通信设备的研制 与开发及数字蜂窝通信网络的建立，g s m 就逐步成了欧洲数字移动通信系统的代名词。 欧洲的专家们将g s m 重新命名为“g l o b a ls y s t e mf o rc o m m u n i c a t i o n s ”从而使其变成了 “全球移动通信系统 的简称。g s m 移动通信技术自2 0 世纪8 0 年代大规模投入应用 以来，经过多年的发展已呈现出日趋繁荣的局面，大大地改变了人们的生活。随着用户 的不断增长和数字通信的发展，又出现了g p r s ，c d m a 等数字通信系统，现在正在向 3 g 发展，但目前g s m 技术最成熟，而且它以o s i 为基础，技术标准公开，发展规模大。 是基于时分多址技术的移动通信体制中比较完善、应用最广泛的一种系统。目前已建成 的覆盖全国的g s m 数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信的主要方式，主要提供 话音和短消息等多种业务。g s m 通信系统主要是由交换网路子系统( n s s ) 、无线基站 子系统( b s s ) 和移动台( m s ) 三大部分组成。交换网路子系统( n s s ) 主要完成交换 功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。b s s 系统是在一定的无 线覆盖区中由m s c 控制，与m s 进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收 和无线资源管理等功能。移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端 ( m s ) 和客户识别卡( s m ) 。移动终端就是“手机 ，它可完成话音编码、信道编码、 信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。 g s m 系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话 清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。目前世界上主要 的两大g s m 系统为g s m9 0 0 及g s m1 8 0 0 ，由于采用了不同频率，因此适用的手机也 不尽相同。前者发展的时间较早，使用的国家较多，后者发展的时间较晚，使用的国家 也较少。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远， 而手机发射功率较强，耗电量较大，因此待机时间较短；而后者的频谱较高，波长较短， 穿透力佳，但传送的距离短，其手机的发射功率较小，待机时间则相应地较长。 由于作为公网的g s m 网络具有覆盖面广、网络能力强的特点，用户无需另外组网， 在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用；同时，它对用户 的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监测 4 长安大学硕士学位论文 的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。 2 2g s m 系统短消息业务 g s m 短消息是移动通信部门利用g s m 网络在提供电路交换的各种电信业务和承载 业务之外提供的基于数据分组交换的一项增值业务。s m s 以数字蜂窝终端发送和接收字 母数字消息的功能为基础，使用s s 7 信令信道来传输数据分组，在无业务信道呼叫时使 用独立专用控制信道( s d c c h ) ，有业务信道呼叫时使用慢伴随控制信道( s a c c h ) 。 因此允许用户在做一个话音或数据呼叫的同时接收一个文本消息。同时，s m s 是目前 g s m 网内惟一采用分组方式的数据业务，一个活跃移动台能够在任何时候发送和接收 一个短消息的传输协议数据单元( t p d u ) ，不管当时业务信道上是否有正在进行的话音 和数据呼叫。值得一提的是g s m 短消息的传递是有保证的，即使一个目的蜂窝终端不 可达( 比如关机或不在服务区内) ，网络也会保留发给它的消息并当该蜂窝终端重新出 现在网络中时传递。短消息可以传送的最大消息长度为1 4 0 字节。短消息服务( s m s ) 是g s m 技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点：一次可传输1 4 0 个字节的消 息，短消息的内容可以是字符或数字；可在网络内端对端传输，还可以从g s m 网络外 ( 如互联网) 发送短消息给一个端点站：短消息通过设在移动通信部门的短消息中心 ( m s c ) 用g s m 系统的信令信道传送，即使移动终端处在通话状态下也可以进行传送， 在整个传送过程中，没有呼叫连接建立和释放的过程；m s c 具有短消息的存储功能， 当终端设备关机时，可以保持短消息不丢失，传输的可靠性大为提高。利用这些特点及 其双向传输的性能，可方便地实现对于遥测设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和 遥控。 2 3 短消息的传输格式 对短消息的控制共有三种模式：b l o c km o d e ，基于a t 命令的p d um o d e ，基于a t 命令的t e x tm o d e 。有三种方式来发送和接收s m s 信息：b l o c km o d e ，t e x tm o d e 和p d u m o d e 。b l o c km o d e 目前很少用了。t e x tm o d e 是纯文本方式，可使用不同的字符集，从 技术上说也可用于发送中文短消息，但国内手机基本上不支持，主要用于欧美地区。p d u m o d e 被所有手机支持，可以使用任何字符集，这也是手机默认的编码方式。t e x tm o d e 比较简单，而且不适合做自定义数据传输，下面介绍在p d um o d e 下发送和接收短消息 的实现方法。本设计中短信息的收发均采用了p d u 模式，p d u 串表面上是一串a s c i i 码，由0 - 9 、a f 这些数字和字母组成。它们是8 位字节的十六进制数，或者b c d 第二章g s m 短消息 码十进制数。p d u 串不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其它信息，如s m s 服务 中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等。发送和接收的p d u 串，结 构是不完全相同的。 在p d um o d e 中，可以采用三种编码方式来对发送的内容进行编码，它们是 7 - b i t ，8 - b i t 和u c s 2 编码。7 - b i t 编码用于发送普通的a s c h 字符，它将一串7 - b i t 的字符 ( 最高位为o ) 编码成8 - b i t 的数据，每8 个字符可“压缩 成7 个；8 - b i t 编码通常用于 发送数据消息，比如图片和铃声等：而u c s 2 编码用于发送u n i c o d e 字符。p d u 串的用 户信息( t p u d ) 段最大容量是1 4 0 字节，所以在这三种编码方式下，可以发送的短消 息的最大字符数分别是1 6 0 ，1 4 0 和7 0 。这里，将一个英文字母、一个汉字和一个数据字 节都视为一个字符。需要注意的是，p d u 串的用户信息长度( t p l 刀) l ) ，在各种编码 方式下意义有所不同。7 - b i t 编码时，指原始短消息的字符个数，而不是编码后的字节数。 8 - b i t 编码时，就是字节数。u c s 2 编码时，也是字节数，等于原始短消息的字符数的两 倍。如果用户信息( t p - u d ) 中存在一个头( 基本参数的t p u d h i 为1 ) ，在所有编码 方式下，用户信息长度( t p 切) l ) 都等于头长度与编码后字节数之和。如果采用g s m 0 3 4 2 所建议的压缩算法( t p d c s 的高3 位为0 0 1 ) ，则该长度也是压缩编码后字节数 或头长度与压缩编码后字节数之和。 2 4 短消息与a t 命令 a ：i 即a t t e n t i o n ，它是h a y e s ( 贺氏已经倒闭) 推出的一套m o d e m 操作命令集，是 m o d e m 通信接口的工业标准，它的功能包括配置m o d e m 与软件共同工作、与远程系统 通信、发起或应答一个呼叫等。a t 指令以a t 开头( a 命令除外) ，回车键结尾，前缀 a t 用于通知m o d e m 注意( a t t e n t i o n ) 监测计算机串行口发送信号的速率、识别字符格 式。 a t 指令集是从t e ( t e r m i n a le q u i p m e n t ) 或d t e ( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ) 向t a ( t e r m i n a la d a p t e r ) 或d c e ( d a t ac i m u i tt e r m i n a t i n ge q u i p m e n t ) 发送的，通过t a t e 发送a t 命令来控制m s ( m o b i l es t a t i o n ) 的功能与g s m 网络业务进行交互。用户可以 通过a t 命令进行呼叫短信电话本数据业务补充业务传真等方面的控制。与s m s 有关的 g s ma t 指令如表2 1 所示： 6 长安大学硕士学位论文 表2 1 与短消息相关的a t 指令 a t 指令功能 蹑 测试命令，测试与手机模块通信是否正常( 正常返回o k ，不正常返回 e r r o r ) a t + c m g f 设置短消息文本方式( 1 为t e x t 文本方式；0 为p d u 方式) a t + c n m i 收到短消息提示( 1 , 2 ，2 直接接受，l ，1 ，2 来短信，给回应) a t + c s c a 设置短消息中心号码( + 8 6 1 3 8 0 0 2 9 0 5 0 0 陕西移动，+ 8 6 1 3 0 1 0 8 5 1 5 0 0 陕话 联通) 峨七c s q测量所在地的信号质量，返回： 。主 要功能是： 接收控制器的地址指令，通过译码电路控制继电器的通断，自动分时将所接的 各个传感器依次通过继电器与控制器相连，为控制信号和数据信号提供通道。 将控制器的激励脉冲信号传给传感器，同时将传感器的响应信号回传给控制器。 最多可切换连接6 4 个传感器( 如图5 2 。 i 竺兰兰! 卜卜。母一 驱译 回一一时 动码 电电 一 路路 巨乎母 t 一 图5 2 分线器组成框图 5 3 2 控制器 控制器主要由单片机、存储器、脉冲形成电路、滤波放大电路、通信电路、显示屏、 键盘、时钟电路等组成( 见图5 4 ) 单片机是核心，完成各种控制任务。 碍鞴臻浔 第五章总体设计 存储器可以存储检测方案、检测数据、手机号码、主控机号码 脉冲形成电路用柬产生传感器激励信号。 滤波放大电路将传感器的响应信号进行调理，然后送单片机。 通信电路负责单片机和通信设备之间的信号转换。 显示屏显示日期、时问、检测结果、键盘、检测方案等。 犍盘负责输入相关指令。 时钟电路负责提供日期、时间。 图54 控制器组成框图 图i 5 控制器实物图 长安大学硕士学位论文 主要功能如下： 可以接收上位机的各种指令：包括检测指令二回传数据指令、校准时间指令、 修改检测方案指令。可以接收手机的检测指令、回传数据指令； 可以接收键盘指令：包括校准时间指令、预置检测方案指令、修改检测方案指 令、检测数据查询指令； 可显示年、月、日、时、分、秒，可显示存储器中的检测方案和传感器数据； 可按预置方案定时检测传感器数据，也可按上位机指令随时检测传感器数据； 可按预置方案定时回传传感器数据，也可按上位机指令随时回传传感器数据； 可完成最多6 4 个传感器的检测。 5 3 3 测频仪 测量部分又称为测频仪或频率仪( 计) 。 频率仪的组成：放大器、示波管、振荡器和激发电路等。 原理：有控制器( m c u ) 控制激励电压放生器，给传感器施加一个li o v 的高压脉 冲，高压脉冲通过传感器的线圈对钢弦产生作用力，使钢弦开始振动。钢弦振动会对传 感器的线圈切割磁力线，产生电压脉冲。由于传感器所受的作用力不同，钢弦的频率则 会不同，控制器通过对传感器产生的脉冲信号放大整形后，读取频率值，再经过换算就 得到了所要采集的数值( 见图5 6 ) 。 图5 6 钢弦式测频仪原理图 第五章总体设讨 主要技术性能指标： 频率测量范目：5 0 0 5 0 0 0 h z ： 测量精度：1 h z ： 分辨率：0 1 h z ： 灵敏度：接收信号3 0 0v ，持续时间5 0 0 r n s 。 图5 7 测频以实物图 5 34 通信设备 通信设各主要是短信调带4 解调嚣。前端控制器接一个调制解调器，后台计算机接一 个调制解调器。两个调制解调器通过g s m 公网完成前台和后台之间的数据通信。对于 没有g s m 信号的地方，通信设备就是专用无线数据传输模块。主要功能： 将上位机的各种控制指令传给控制器； 将控制器检测到的数据或存储器中的已存数据回传给上位机。 长安大学硕士学位论文 罔5 8 遥测仪上的的短信模块 舟5 9 艋控中心上的的短信模块 本课题是建立在g s m 网络之上的，遥测仪与监测中心的无线通信通过g s m 手机 模块的短信方式实现，每条短信可携带1 组6 4 个传感器数据，本课题采用了工业用的 g s m 数据传输模块。通信接口框图如图5 1 0 所示。 砸。 目5 1 0g s m 通信接口电路设计 g s m 模块简介： g s m 模块作为一种主要的g s m 网络接入设备，己得到越来越多的系统制造商和系 统开发商的重视，基于它的各种应用也蓬勃发展起来，g s m 模块是继g s m 手机外又一 种非常重要的g s m 移动通信系统的终端设备，它是传统调制解调器与g s m 无线移动 通信系统相结合的一种数据终端设备，因此也叫无线调制解调器它的出现给g s m 的 发展注入了新的活力，改变了传统的以话音为主的通讯手段，打开了g s m 网络数据通 信及其应用的大门，凡是使用调制解调器的地方大多数可以用g s m 模块代替，而g s m 模块却没有一般调制解调器的地域、线路方面的限制，所以基于这种模块，以g s m 网 络作为无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用产品。 g s m 模块提供的命令接口符合g s m 0 7 0 5 和g s m 0 70 7 规范。g s m 0 7 0 7 中定义的 a t c o m m a n d 接口提供了一种移动台( m s ) 与数据终端设备( d t e ) 之间的通用接口， g s m 0 70 5 对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通 雪 第五章总体设计 过串口发送指示消息，数据终端设备可以向短消息模块发送各种命令。目前，在国内己 经开始使用的模块有f a l c o m 的a 2 d 系列，w a v e c o m 的v v m 0 2 系列，西门子的t c 3 5 系列模块，这些模块的功能、用法差别不大。其中t c 3 5 系列模块性价比很高，并且已 经有国内的无线电设备入网证。在本次设计中采用的是西门子的t c 3 5 t 模块，t c 3 5 具 有功能有语音、数据、短消息、f a x 四种传输方式；工作在g s m 9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 频带范围内；工作电源3 3 v 3 5 v ；波特率为3 0 0 - 1 1 5 k b p s ，在1 2 0 0 1 1 5 k b p s 为自动波 特率配置；数据传送采用a t 命令集：s m s 具有t e x t 和p d u 图形模式；p p 数据通信 速率是2 4 0 0 b p s ，4 8 0 0 b p s ，9 6 0 0 b p s ，1 44 0 0 b p s 。t c 3 5 t 是将t c 3 5 做到工业手机中， 对外提供标准的r s 2 3 2 接口和电源接口，将计算机的串行口与t c 3 5 t 的串行口电缆直 接连接，并在计算机上添加标准的调制解调器就可以使用了。t c 3 5 t 使用a t 命令集工 作，体积大小：5 4 5 m m * 3 6 m m * 6 7 m m ，重量：1 8 9 。它主要是由射频天线、内部f l a s h ， g s m 基带处理器、匹配电源和一个4 0 脚的z i p 插座组成。如图5 5 所示，其中g s m 基 带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发 送过来的a t 指令。射频电路部分主要实现信号的调制与解调，实现外部射频信号与内 部基带处理器之间的信号转换，匹配电源为处理器以及射频部分提供所需的电源，插座 是提供给用户的应用接口。 t c 3 5 t 模块接口电路设计： 由于在t c 3 5 t 模块中其数字电平为2 3 6 v ，但是成品的模块已经转换成t t l 电平， 所以在和5 v 的单片机的串行口接口时需要进行电平转换。本设计选用单+ 5 v 供电的 r s 2 3 2 标准接收发送芯片m a x 2 3 2 组成t r l r s 2 3 2 电平转换电路，m a x 2 3 2 是m a x i m 公司出品的接口芯片，可以进行t t l 电平与r s 2 3 2 电平的转换。电路设计简单，体积 小，有效减小p c b 板面积，系统可靠性高。m a x 2 3 2 为双组r s 2 3 2 接收发送器，将电 压倍增器、r s 2 3 2 发送器、r s 2 3 2 接收器封装在一个标准的1 6 脚双列直插芯片内，如 图5 1 1 所示，用m a x 2 0 2 组成的电平转换电路只需外接0 1 u f 电容即可实现，具有使 用方便、性价比高的优点。 长安大学硕士学位论文 图5 1 1r s 2 3 2 t t l 电平转换 5 3 5 存储与读取 本课题选用的存储器芯片是a t 2 4 c 6 4 ，它是一个6 4 k 位串行c m o se 2 p r o m ，内 部含8 1 9 2 个字节( 每字节为8 位) 。a t m e l 公司的先进c m o s 技术实质上减少了器件的 功耗，有a t 2 4 c 6 4 有一个3 2 字节页写缓冲器，该器件通过1 2 c 总线接口进行操作。它 具有如下特性： 与4 0 0 k h z l 2 c 总线兼容； 8 到6 0 伏工作电压范围； 最多可级联8 个器件： 低功耗c m o s 技术； 写保护功能：当w p 为高电平时进入写保护状态； 3 2 字节页写缓冲器： 自定时擦写周期； 噪声保护的施密特触发输入； 零待机电流； 1 ，0 0 0 ，0 0 0 编程擦写周期； 可保存数据1 0 0 年。 i 2c 总线数据传输的基本协议： 时钟芯片p c f 8 5 6 3 和存储器芯片a t 2 4 c 6 4 的串行接口均为1 2 c 总线。i 2 c 是由飞利 浦公司开发的双线同步总线。该总线可用来与e e p r o m 、a d c 、d a c 和l c d 这类慢 速器件进行通信。1 2 c 是个半双工、多主总线，该总线网络有一个或几个主控器件和 很多个从器件。信息由两条串行线传输：串行数据线( s d a ) 和串行时钟线( s c l ) 。 网络中的每一个器件都预指定一个7 位或1 0 位的地址。飞利浦会给器件制造商分配地 址，也有一个特定的地址用于高速通信，以及一个通用呼叫地址用于与网络中所有器件 第五章总体设计 的通信。1 0 位寻址的优点是允许更多的器件( 高达1 0 2 4 个) 布置在网络中。然而，总 线中器件的数目取决于总线的电容量，必须限制在4 0 0 p f 以内。主控器件发起数据传送， 并提供用于通信的时钟信号。通信开始于s c l 为高电平时s d a 由高到低的转换，紧接 着是一个7 位或l o 位的从地址，一个数据方向位( w ) ，一个应答位和停止状态。停 止状态定义为在时钟信号为高时数据线电平由低到高的转换。每一个数据字节长度为8 位，单次传送的字节数并没有限制。由于i 2 c 是一个多主总线，因此可能有两个或更多 的主控器件同时试图访问总线，在时钟信号为高电平时在总线上置“l ”的主控器件赢得 总线仲裁。i 2 c 有三种不同的运行模式：标准、快速和高速模式。在使用快速和高速模 式时，可能某个从属器件不能像主控器件那么快地处理数据。此时，从属器件会将s c l 线拉至低电平来保持总线，这迫使主控器件进入等待状态，直至从属器件准备就绪。数 据传输首先从最高位开始。1 2 c 总线设计用于三种数据传输速度，每个都向下兼容性： 低速，数据传输率为0 到1 0 0 k b p s 快速，数据传输率可以高达4 0 0 k b p s ：高速，数据传 输率可以高达3 4 m b p s 。 它的最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此i 2 c 总线 占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的 长度可高达2 5 英尺，并且能够以1 0 k b p s 的最大传输速率支持4 0 个组件。1 2 c 总线的另 一个优点是，它支持多主控( m u l t i m a s t e r i n g ) ，其中任何能够进行发送和接收的设备都 可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率，但是，在任何时间点上只 能有一个主控。 1 2 c 总线通过两根线( 串行数据线s d a 和串行时钟线s c l ) 即可实现完善的全双工 同步数据传送，使挂接到总线上的器件相互进行信息传递。在c p u 与被控i c 之间、i c 与i c 之间进行双向传送，最高传送速率1 0 0 k b p s 。各种被控制电路均并联在这条总线上， 但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地 址，在信息的传输过程中，i 2 c 总线上并接的每一模块电路既是主控器( 或被控器 ，又 是发送器( 或接收器) ，这取决于它所要完成的功能。c p u 发出的控制信号分为地址码 和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量 决定该调整的类别( 如对比度、亮度等) 及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在 同一条总线上，却彼此独立，互不相关。i 2 c 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：起始信号、停止信号和应答信号。 1 起始、停止和应答信号 长安大学硕士学位论文 开始信号：s c l 为高电平时，s d a 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束 信号：s c l 为低电平时，s d a 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接 收数据的i c 在接收到8 6 i t 数据后，向发送数据的i c 发出特定的低电平脉冲，表示已收 到数据。c p u 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，当c p u 接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号， 由判断为受控单元出现故障。 2 数据传送格式 1 2 c 总线规定，主控器发送一个起始信号启动发送过程，然后发送它所要寻址的从 器件的地址。寻址字节由被控器的高4 位( 固定为1 0 1 0 b ) 、接下来的三位( a 2 ， a l ， a 0 ) 和最低位一方向位组成，方向位表明主控器与被控器的数据传送方向，方向位为“0 ” 时表明主控器对被控器的写操作，为“1 ”时表明主控器对被控器的读操作。 被控器监视总线并将主控器发送的寻址字节与自己的器件地址相比较，如果相同， 则通过数据线响应一个应答信号，再根据方向位确定是被控发送器还是被控接收器。在 寻址字节后要发送被控器的单元地址，当被控器件片内有多个单元地址时，数据读写有 地址自动加l 功能。准备好读写入口条件后，就可以进行若干数据字节与应答位的传送。 数据传送完后由主控器发送停止信号，以释放总线。1 2 c 总线的数据传送过程如图5 1 2 ： 绷 $ 瓯 _ r _ - 、 s 起赡 。 停止 豢舟豢争 图5 1 2一次完整i z c 总线的数据传输过程 在本设计中，选用的微处理器芯片p 8 9 c 5 1 r d 2 ，不具有1 2 c 总线接口，我们采用它 的p 2 0 和p 2 1 口分别模拟数据线和时钟线，就可实现1 2 c 总线的功能。 在1 2 c 总线的应用中应注意以下几点： 严格按照时序图的要求进行操作； 若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻； 程序中为配合相应的传输速率，在对总线操作的指令后可用n o p 指令加一定的延 时； 为了减少意外的干扰信号将e e p r o m 内的数据改写可用外部写保护引脚( 如果有) ， 第五章总体设计 或者在e e p r o m 内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判 断e e p r o m 是否被意外改写。 5 3 6 时钟 为了确保时间的准确性，本系统采用手机模块计时和时钟芯片计时两种方法计时， 我们使用了p c f 8 5 6 3 时钟芯片作为计时芯片。 p c f 8 5 6 3 简介： p c f 8 5 6 3 是p h i l i p s 公司推出的一款工业级内含1 2 c 总线接口功能的具有极低功耗 的多功能时钟日历芯片。它的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出 功能可完成各种复杂的定时服务，甚至能为单片机提供看门狗功能。其内部时钟电路、 内部振荡电路、内部低电压检测电路( 1 0 v ) 以及两线f l j i j l 2 c 总线通讯方式，不但使外 围电路简洁，而且也增加了芯片的可靠性。因而，p c f 8 5 6 3 是一款性价比极高的时钟芯 片，已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器 仪表等产品之中。图5 1 3 是p c f 8 5 6 3 的管脚图，表5 1 是管脚定义。 i 1s 2p c f 8 5 6 3 p7 p c f 8 5 6 3 t 3 p c f 8 5 6 3 t s 6 45 图5 1 3p c f 8 5 6 3 管脚图 v t m c l k o u t s c l s d a 表5 1p c f 8 5 6 3 管脚描述 符号管脚号描述 o s c il 振荡器输入 o s c 02 振荡器输出 ，i n t3 中断输出( 开漏；低电平有效) v s s 4 地 s d a5 串行数据i ，o s c l6 串行时钟输入 c l k o u t 7 时钟输出( 开漏) v d o8 正电源 p c f 8 5 6 3 的主要特性如下： 宽电压范围1 05 5 v 复位电压标值v j o w = 0 9 v ： 超低功耗典型值为0 2 5av t ) t ) = 3 0 v ，t a m b = 2 5 ； 可编程时钟输出频率为3 2 7 6 8 k h z1 0 2 4 h z3 2 h z1 h z ： 四种报警功能和定时器功能： 内含复位电路振荡器电容和掉电检测电路； 开漏中断输出； 4 0 0 1 d - i z1 2 c 总线( v d d _ i 8 - - 5 5 v ) 。 p c f 8 5 6 3 内部寄存器 p c f 8 5 6 3 共有1 6 个寄存器，其中0 0 h - 0 1 h 为控制方式寄存器，0 9 h 0 c h 为报警功 3 0 长安大学硕士学位论文 能寄存器，0 d h 为时钟输出寄存器，0 e h 和0 f h 为定时器功能寄存器，0 2 h 0 8 h 为秒一 年时间寄